Dòng điện làm chocácthiết bị hoạt độngnhư thế nào? Bernie Hobbs Không có dòng điện thì các thiếtbị trongnhà củachúng ta chỉ là mớ đồ nhựa và kimloại vô dụng. Nhưngdòngđiệnthật sự là gì?Chúng sai khiến các vật hoạt độngnhư thế nào? Cái gì đang diễn ra trong các dây dẫn làm cho các bộ nhiệt trong nhà của chúng ta nóng lên và quạt máy thì quay? (Ảnh: iStockphoto) Chúng tasử dụng nó mỗi ngày, nhưng đa số chúng ta không có một manh mốinào xem dòng điện làm chocác vật hoạt độngnhư thế nào.Cái gì đangdiễn ra trong các dây dẫn làm cho các động cơ chạy, và cácbộ nhiệt thì nóng lên? Cho dù là một lònướng bánh haymột chiếc xe điện, mọithứ mà dòng điện điều khiển có chungmộtđặc điểm: cái xảy ra khi bạn ‘chỉ dạy’ cácelectronkhiêu vũ theohàng theongũ. Khi các electron bị buộcchuyển động đồngbộ, chúng có thể tạo ranhiệtvà – ấn tượng hơn– chúng biến dây dẫn mà chúng đangchuyển động trongđó thành một nam châm. Nhiệt cóthể làm sôi nước và làmcho bóng đèn tỏa sáng,và các nam châm có thể làm cho các vật chuyển động.Và đó là hai đặc điểm ‘thầnkì’ ẩn sau mỗithiết bị điện. Đưa các electron vào tổ chức Các electron mang lại sứcsống chocác thiết bị của chúngta nằm trong các dây dẫn tạo thành các mạch điện. Các dây dẫn làmbằng kimloại,và kimloại luônluôn có các electrontự do chạyvù vù bên trong chúng.Nhưng nếu bạn cóthể làm cho các electronđó chuyển độngtheo mộtkiểu cótổ chức, thì bạncó được mộtdòng điệnchạy. Tất cả dòng điện lànhư vậy – các electron chuyểnđộng theo một kiểucó tổ chức. Năng lượngđể cho cácelectronchuyển độngtheo mộtkiểu có tổ chức lấy từ pin hoặc máy phát. Khi một chiếc pintổ chức các electron,tất cả chúng chuyển động theo cùng một chiều tại cùng một lúc– pinbơm các electronqua dây dẫn từ điệncực âm đến điện cựcdương. Vì chúngđều chuyển độngtheo cùngmột chiều, nên nó được gọi là dòngđiện một chiều(DC). Các máy phát đặt tại các nhà máyđiện tổ chức các electrontheo một cách hơi khác. Chúng bơm các electron,nhưng chúng thay đổi hướngbơmchúng100 lần trong mỗi giây. Thayvì chuyển động theo một chiều giống như trong một mạch điện DC,các electron‘ngoe nguẩy’ tại chỗ và liên tục dịch tới dịch lui. Nếubạn có thể nhìn vào bên trong dây nguồn khi một thiết bị đang bật nguồn, bạn sẽ nghĩ các electronđúng làđã học cách khiêu vũ theo hàng ngũ – tất cả chúng liên tục bước một bướcvề phía trước, một bước về phía saumột cách đồng bộ.Sự thay đổi hướngliên tục là cái ẩn sautên gọi củanó, dòngđiện xoaychiều (AC). Vậy thì một dòngđiện chỉ là các electron đang dịch chuyển theo mộtcách có tổ chức bên trong một mạch điện. Nhưnglàm thế nào các electron đangchuyển độngsinh ra nhiệt để cho lò nướng bánhvà máy sấy hoạtđộng? Nếu bạn có thể nhìn thấy cái đang diễn ra ở cấp độ nguyên tử bên trong một dây dẫn, thì nó trông như thế này. Giống như mọi kim loại, dây dẫn cấu tạo từ một giàn khung rắn chắc của các nguyên tử với một đám electron tự do vù vù xung quanh chúng. Mắc một dây dẫn với một chiếc pin (DC) thì các electron đều chuyển động đồng bộ về phía trước. Cắm dây vào một nguồn cấp trên tường, thì các electron trong dây ‘ngúc ngoắc’ tới lui tại chỗ, đổi hướng 100 lần mỗi giây (AC). Làm mọi thứ nóng lên Mọidây dẫn đều nóng lên một chútkhicó dòngđiện chạy qua chúng, vì khi các electronchuyển động trong dây chúng chạmtrúng cácnguyêntử kimloại. Và hễ khi nào chúng lao trúng một nguyên tử, thì nănglượng từ các electron đang chuyển động đượcgiải phóngdưới dạng nhiệt. Chúng tasử dụng đồnglàm dây dẫn điện vì dây đồngdễ dàng chocác electronchuyển độngbên trong, cho nên khôngcó quá nhiều năng lượngbị hao phí dưới dạng nhiệt. Nhưng nếu bạn muốn có nhiệt, thí dụ cho máysấy tóc/lò nước bánh/bìnhnấu nước, thì cần cảntrở sự chuyển độngđó.Bạn chỉ việc sử dụngmột miếng kimloại thậtsự khócho các electronchuyển độngbên trong,như nickel. Các bộ phận nóng lênnhư trong lò nướng bánh hoặc máysấy tóclà những đoạn dây dẫnchế tạobằng hợp kim nickel/chromiumgọilà nichrome. Cho một dòngđiện chạyqua nichromevà bạn sẽ thuđược lượngnhiệt lớn. Trongkhi các electrontrongdây đồng có thể chuyển động dễ dàng, thì các electron trong bộ phận nichrome liên tụcdội trúng các nguyên tử nickel vàchromiumvà làm phát sinh nhiệt ở khắp nơi.Đó là cái bạnmuốn vào nhữngngày mưa tóc ướtnhạt nhẽo. Nhưng đun nóngchỉ là một trongnhững thứ mà các thiết bị điện có thể làm. Đa số những việc khácliên quanđến việc làm chocácvật chuyển động –và đó là chỗ dành cho độngcơ.Vậy thì làm thế nào các electron có tổ chức làmcho một độngcơ quay? Làm cho các động cơ quay tròn Mọithiết bị có nhữngbộ phậnchuyển động phức tạphơn một lònướng bánh cánh xòe đều có mộtđộng cơ điện bên trong nó. Và trong khi chúng chochạy hàng nghìn bộ phận khácnhau, nhưngcác độngcơ điện thật sự chỉ làm có mỗi một việc –chúng quaytròn hễ khi nào bạn bật nguồn. Vàmọi thứ gắn liềnvới chúng – như các cánh quạt, bánh xe hoặc chậu giặt quần áo– cũng quay tròn theo. Sự quay tròn chỉ xảy ra khidòng điện đang chạy –khi cácelectron trong dây dẫn được tổ chức thànhmột dòngđiện. Vậy làmthế nào các electronđangchuyển độnglàm cho mộtđộng cơ quay tròn? Chúng không làm việc đó đâu. Chúnglàmcái gì đó có vẻ phô trươnghơn– chúng biến dây dẫn thànhnam châm. Và như mọi đứa trẻ lên năm đều biết, nam châmlà trợ thủ số một làm chocác vật chuyểnđộng. Tất cả chúng ta đều quenthuộccác namchâm, nhưngrất nhiều người trong chúng ta không nhận ra các namchâmđó có cáctính chất của chúng từ cái tương tự như dòng điện đã làm: các electron có tổ chức. Điện và từ chung sống hòa bình Mỗielectron giốngnhư một nam châmnhỏ xíu, yếu ớt.Đa số các electron ghéplại thành cặp, và chúngtriệt tiêu mất từ tính của electron kia.Nhưng một số chất liệu –như sắt –có một số electronchưa ghép cặpxung quanh các nguyên tử của chúng.Và nếu bạn có thể làm cho cácelectron chưa ghép cặp đó sắpthẳng hàng saocho từ trường củachúng đều cùng chiều nhau,thì miếng sắt củabạn đột ngột là một namchâm. Đó đúnglà cái xảy ra khi bạn dùng một nam châm hút lấy một cái kimhoặc kẹp giấy – từ trường xungquanh nam châm của bạn hút một số electronchưa ghép cặp bên trong cái kimsắp thành hàng, nên tấtcả từ trường mini củachúngcộng lại thành một namchâm cỡ lớn thật sự. Nhưng bạn cũng có thể làm chobất kì kimloại nào thành một namchâm nhất thời – mộtnam châm điện –chỉ bằng việc cho một dòng điện chạy qua nó. Các namchâm điện hoạtđộng được vì điện tích trên một electroncũng có thể tạo ra mộttừ trường, nhưng chỉ khi nó đangchuyển động.Cho nênhễ khinào các electrontrong dâydẫn đangchuyển động đồngbộ (tức là hễ khi nào có một dòngđiện đangchạy),thì dây dẫn trở thành mộtnam châm. Nhưng nó quá yếu để là một nam châm hữu dụng. Nhưng nếu bạn quấn dây xung quanh một miếngsắt, thì từ trường yếu xungquanh dây buộccác electron chưaghép cặp trong sắt sắp thẳnghàng nhau,và toàn bộ từ trường minicủa chúng cộng gộp lại cho kết quả hệt như một thanhnam châm. Nhưng không giốngnhư mộtnam châm thường, sợi dây dẫn đó chỉ có từ tình khi có dòng điện đangchạy– mộtkhi dòng điện ngừng chạy, thì các electron bên trong dây trở lại tác dụng giốngnhư những ‘loạn quân’ hạ nguyêntử.Và miếng sắt mà nó quấn xung quanh trở lại là một miếngsắt. Và chính khả năng củadòng điện biến các dây dẫnthànhnam châm nhất thời manglại cho chúngta cácđộng cơ có thể mở và tắt. Mô tả động cơ hoạt động như thế nào chưa cần tới 25 từ Nếu bạn từng dùng một nam châm đẩy namchâmkia ra, bạn đã biết nguyên lí hoạt động của các động cơ điện. Thật ra, nếu bạn sử dụng đầu bắc của một nam châmđể đẩy đầu bắc củanam châmkia theo một vòng tròn, thì bạnđang làm công việc giống hệt như cái động cơ điện thựchiện. Ngoại trừ ở chỗ động cơ không hề có mộtbàn taykhổnglồ nào dùng namchâm nàyđẩynam châmkia – nó hoạtđộng trên cơ sở một bộ nam châm trong một cái vòng bao xungquanh vòngdây dẫn. Khi dòngđiện chạy, vòngdây trở thànhmột namchâm điện. Và các nam châmxung quanhnamchâmđiện đó đượcbố trí saocho các lựchút vàđẩycủa chúng làm chonam châmđiện quaytròn liên tụcchođến khi nguồn điện bị ngắt. Khi ngắt điện thì trò chơi của chúng ta kếtthúc. Không có pinhoặc máy phát để đẩy chúng, các electron không còn có tổ chức nữa, dâydẫn không còn từ tính nữa, và chuyển động quaytròn của độngcơ bị treo lại. Cácvan bơm/cánh quạt/băng chuyền gắnvới độngcơ ngừng hút, thổi và chạy. ‘Sự thần kì’của dòng điện ngừng lại,và thiết bị củachúng ta chỉ một mớ đồ nhựa và kim loại cho đến khi chúng ta bật nguồn trở lại. . Dòng điện làm chocácthiết bị hoạt độngnhư thế nào? Bernie Hobbs Không có dòng điện thì các thiếtbị trongnhà củachúng ta chỉ là mớ đồ nhựa và kimloại vô dụng. Nhưngdòngđiệnthật sự. việc làm chocácvật chuyển động –và đó là chỗ dành cho độngcơ.Vậy thì làm thế nào các electron có tổ chức làmcho một độngcơ quay? Làm cho các động cơ quay tròn Mọithiết bị có nhữngbộ phậnchuyển động. ngày, nhưng đa số chúng ta không có một manh mốinào xem dòng điện làm chocác vật hoạt độngnhư thế nào.Cái gì đangdiễn ra trong các dây dẫn làm cho các động cơ chạy, và cácbộ nhiệt thì nóng lên? Cho